JP2010178747A - Deracemisation of amines - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、エナンチオマー混合物の酵素的処理による、キラルなアミンの脱ラセミ化またはキラル反転方法に関する。本方法は、立体選択的酵素的変換、及び非選択的または部分的に選択的な化学的または酵素的変換を同時に、または連続して用いる。本発明はまた、好適な酵素、特に好適なアミンオキシダーゼの選択のための方法、及び上記脱ラセミ化方法において使用するのに好適な新規酵素の生成のための方法も提供する。 The present invention relates to a method for deracemization or chiral inversion of chiral amines by enzymatic treatment of enantiomeric mixtures. The method uses stereoselective enzymatic conversion and non-selective or partially selective chemical or enzymatic conversion simultaneously or sequentially. The present invention also provides methods for the selection of suitable enzymes, particularly suitable amine oxidases, and methods for the production of novel enzymes suitable for use in the above deracemization method.
エナンチオマー的に純粋なキラルアミンは、特に薬学的標的分子の調製のための貴重な合成中間体である。伝統的に、キラルアミンは、キラルな酸を用いたジアステレオマー結晶化等の分離方法によってエナンチオマーの一方の塩を形成することで、あるいは溶媒間分配またはクロマトグラフィー等の物理的方法(1)による分離をより容易なものとする、一方のエナンチオマーと選択的に反応する酵素を用いたラセミ化合物の速度論的分割によって得てきた。こうした方法は高いエナンチオマー過剰率(e.e.)を達成し得るが、必要とするエナンチオマーとしてラセミ出発材料の最大50%が得られるだけである。多くのキラル化合物と同様に、いずれも原理的には100%の収率と100%のe.e.で生成物を産することができる、不斉的アプローチを含むか、または分割と所望でないエナンチオマーのラセミ化とを組み合わせる、アミンの合成戦略の開発に対する需要が増大している。現在までに示唆された不斉的方法は、ケトンをキラルアミンに変換するトランスアミナーゼの使用を含んでいる(2,3,4)。更に、Burkholderia plantariiリパーゼ(5,6)またはCandida antarctica(7)等のリパーゼを用いるアミンの速度論的光学分割が、イミンの形成(5,6)または触媒としてPd/Cを用いる転移水素化(7)による未反応のアミンのラセミ化と組み合わせられている。 Enantiomerically pure chiral amines are valuable synthetic intermediates, especially for the preparation of pharmaceutical target molecules. Traditionally, chiral amines form one salt of the enantiomer by a separation method such as diastereomeric crystallization using a chiral acid, or by a physical method (1) such as intersolvent partitioning or chromatography. It has been obtained by kinetic resolution of racemates using enzymes that react selectively with one enantiomer, making separation easier. Such a process can achieve a high enantiomeric excess (e.e.), but only gives up to 50% of the racemic starting material as the required enantiomer. Like many chiral compounds, all can yield products with 100% yield and 100% ee in principle, including asymmetric approaches or resolution and racemates of undesired enantiomers. There is an increasing demand for the development of synthetic strategies for amines that combine with crystallization. Asymmetric methods that have been suggested to date include the use of transaminases to convert ketones to chiral amines (2,3,4). Furthermore, the kinetic resolution of amines using lipases such as Burkholderia plantarii lipase (5,6) or Candida antarctica (7) can be used to form imines (5,6) or transfer hydrogenation using Pd / C as a catalyst ( Combined with racemization of unreacted amine according to 7).
脱ラセミ化と呼ばれる別のアプローチは、例えば周期的な酸化−還元の連鎖を用いて一方のエナンチオマーを他方に立体反転させることを含む。今日までに、こうした系を、エナンチオ選択的D-アミノ酸オキシダーゼを非選択的還元剤と組み合わせて使用してL-α-アミノ酸の調製に適用できることが示されている。最初の仕事(8)では、還元剤として水素化ホウ素ナトリウムを用い、収率は低いがD-アラニンからL-アラニンへの立体反転が報告されている。pH7における水素化ホウ素ナトリウムの不安定性のために、実用的な規模での使用が妨げられており、近年では本発明者等が、シアノボロ水素化ナトリウム(sodium cyanoborohydride)(13)、Pd/Cを含むギ酸アンモニウム、及び水素化ホウ素複合体またはアミン:ボラン類(14)を含むより好適な還元剤を使用して、アミノ酸の脱ラセミ化をより効率的に行い得ることを示した。しかしながら、今日までに脱ラセミ化方法をアミンにうまく応用させた例はない。
Another approach, called deracemization, involves the steric inversion of one enantiomer to the other, for example using a periodic oxidation-reduction chain. To date, it has been shown that such systems can be applied to the preparation of L-α-amino acids using enantioselective D-amino acid oxidases in combination with non-selective reducing agents. In the first work (8), sodium borohydride was used as a reducing agent, and the steric inversion from D-alanine to L-alanine was reported although the yield was low. The instability of sodium borohydride at
本発明は、アミンの酸化を立体選択的に触媒し得る酵素でアミンエナンチオマーの混合物を処理し、続いて、または同時に還元剤で混合物を処理することによる、キラルアミンの脱ラセミ化またはキラル反転(本明細書において一般にエナンチオマー変換という)のための方法を提供する。本発明の方法は、ラセミ混合物を含む種々の比率のエナンチオマー混合物に、そして一方の単一のエナンチオマーから他方への変換(エピマー化、epimerisation)に適用可能である。例えば、本方法は、1:1、1:2、1:5、1:10、2:1、5:1、10:1、100:1または他の比率のR及びS型のアミンの混合物に適用可能である。エナンチオマー変換の生成物は、出発材料よりも所望のエナンチオマーに富んでいる。すなわち、所望のエナンチオマーがエナンチオマー過剰にある。好ましくは、生成物は実質的に純粋な単一のエナンチオマーを含む。従って、好ましい実施形態において、本発明のエナンチオマー変換法を用いて、アミンエナンチオマーの混合物を本質的に単一のエナンチオマーからなる組成物に変換する。あるいは本発明のエナンチオマー変換法を用いて、一方の実質的に純粋なアミンエナンチオマーを他方に、再びエナンチオマー的に純粋な形態のものに変換する。 The present invention relates to the deracemization or chiral inversion of chiral amines by treating a mixture of amine enantiomers with an enzyme that can stereoselectively catalyze the oxidation of amines, and subsequently or simultaneously treating the mixture with a reducing agent. In the specification generally referred to as enantiomeric transformations). The method of the invention is applicable to various ratios of enantiomeric mixtures, including racemic mixtures, and to the conversion from one single enantiomer to the other (epimerisation). For example, the method may be a 1: 1, 1: 2, 1: 5, 1:10, 2: 1, 5: 1, 10: 1, 100: 1 or other ratio mixture of R and S type amines. It is applicable to. The product of the enantiomeric transformation is richer in the desired enantiomer than the starting material. That is, the desired enantiomer is in enantiomeric excess. Preferably the product comprises a substantially pure single enantiomer. Thus, in a preferred embodiment, the enantiomeric conversion method of the present invention is used to convert a mixture of amine enantiomers into a composition consisting essentially of a single enantiomer. Alternatively, using the enantiomeric conversion method of the present invention, one substantially pure amine enantiomer is converted to the other, again in enantiomerically pure form.
還元剤は、部分的に立体選択的であっても、または非−立体選択的であっても良く、また化学的還元剤であっても良い。あるいはまた、還元は、酵素によって触媒されるものであっても良い。化学的還元剤を用いるべき場合には、還元剤は水素化ホウ素ナトリウム、シアノボロ水素化ナトリウム、アミン:ボラン複合体またはPd/Cを含むギ酸アンモニウム等の転移水素化(transfer hydrogenation)試薬から選択することが有利であり得る。酸化−還元サイクルにおいて立体選択的酸化及び非−立体選択的(または部分的に選択的な)還元を続けて行う場合には、所望のエナンチオマー過剰率が達成されるまでサイクルを複数回行っても良い。 The reducing agent may be partially stereoselective or non-stereoselective, and may be a chemical reducing agent. Alternatively, the reduction may be catalyzed by an enzyme. If a chemical reducing agent is to be used, the reducing agent is selected from transfer hydrogenation reagents such as sodium borohydride, sodium cyanoborohydride, amine: borane complex or ammonium formate containing Pd / C. It can be advantageous. If the stereoselective oxidation and the non-stereoselective (or partially selective) reduction are subsequently performed in an oxidation-reduction cycle, the cycle may be performed multiple times until the desired enantiomeric excess is achieved. good.
立体選択的にアミンの酸化を触媒し得る酵素は、モノアミンオキシダーゼ(MAO)、特に微生物のモノアミンオキシダーゼであり得るが、いずれのアミンオキシダーゼ酵素を用いても良い。本発明の方法において有利に用いることができるMAOの一つは、Aspergillus nigerのモノアミンオキシダーゼまたはその変異型、例えば、特にアミノ酸25-265及び334-350の領域に1つ以上の変異を取り込むことによって酵素が野生型A. nigerMAOと異なる変異型、特に好ましくは、アミノ酸259、260、336及び348の1以上に変異を有する酵素、より特定すれば変異N336Sまたは二重変異N336S, M348Kを有する酵素である。 The enzyme capable of stereoselectively catalyzing amine oxidation may be monoamine oxidase (MAO), particularly microbial monoamine oxidase, but any amine oxidase enzyme may be used. One of the MAOs that can be advantageously used in the methods of the present invention is by incorporating one or more mutations into the Aspergillus niger monoamine oxidase or variants thereof, for example, particularly in the region of amino acids 25-265 and 334-350. In which the enzyme is different from wild type A. nigerMAO, particularly preferably an enzyme having a mutation in one or more of amino acids 259, 260, 336 and 348, more particularly an enzyme having a mutation N336S or a double mutation N336S, M348K. is there.
本発明はまた、
a)元の(originator)酵素を変異させて少なくとも1種の酵素変異型を作製し、
b)該酵素変異型をホモキラル基質に対する活性についてスクリーニングし、そして
c)元の酵素よりもホモキラル基質に対する活性の増大を示す1以上の酵素を選択する、
ことによって元の酵素の進化を導く方法を提供する。場合によって、段階(工程)c)で選択された酵素変異型を元の酵素として用い、段階a)、b)及びc)を繰り返しても良い。適当な段階で、酵素変異型を基質と逆のエナンチオマーに対して、あるいは基質エナンチオマーの混合物に対してアッセイして、エナンチオ選択性を確認しても良い。特定の実施形態において、元の酵素はアミンに対して活性を示すオキシダーゼ、例えばアミンオキシダーゼ、特にモノアミンオキシダーゼである。基質は、環状第2級アミンを含む、イミンに酸化され得る任意のキラルアミンで良く、例えば式Iのアミンであり得る。
a) mutating the originator enzyme to produce at least one enzyme variant,
b) screening the enzyme variants for activity against homochiral substrates, and c) selecting one or more enzymes that exhibit increased activity against homochiral substrates over the original enzyme.
Provides a way to guide the evolution of the original enzyme. Optionally, steps a), b) and c) may be repeated using the enzyme variant selected in step (step) c) as the original enzyme. At an appropriate stage, enzyme variants may be assayed against the opposite enantiomer of the substrate or against a mixture of substrate enantiomers to confirm enantioselectivity. In certain embodiments, the original enzyme is an oxidase that is active against an amine, such as an amine oxidase, particularly a monoamine oxidase. The substrate can be any chiral amine that can be oxidized to an imine, including a cyclic secondary amine, for example an amine of formula I.
[式中、
a)RはHまたはC1-4アルキルであり、R1及びR2は独立して置換または非置換のC1-10アルキル、C1-10アルケニル、C1-10シクロアルキル、C1-10へテロサイクル、C1-10アリール、C1-10ヘテロアリール、C1-4アルキル-アリール、C1-4アルキル-ヘテロアリール、C1-4アルキル-C1-6シクロアルキル及びC1-4アルキル-C1-6ヘテロサイクルから選択されるか、あるいは
b)RはHまたはC1-4アルキルであり、R1及びR2は一緒になって1個以上のヘテロ原子を含み得る置換または非置換のC1-10シクロアルキル環系またはC1-10アリール環を形成するか、あるいは
c)R及びR1が一緒になって、1個以上のヘテロ原子を含み得る置換または非置換のC1-10シクロアルキルまたはC1-10アリール環系を形成し、R2は上記a)と同様に定義されるものである]。
[Where:
a) R is H or C 1-4 alkyl and R 1 and
本明細書中で用いる用語「ハロ」または「ハロゲン」は、フッ素、塩素、臭素及びヨウ素をいう。 As used herein, the term “halo” or “halogen” refers to fluorine, chlorine, bromine and iodine.
本明細書中で用いる用語「アルキル」は、特定の数の炭素原子を含む直鎖または分岐した炭化水素鎖をいう。例えば、C1-C3アルキルは、少なくとも1個で多くとも3個の炭素原子を含む直鎖または分岐した炭化水素鎖を意味する。本明細書中で用いるアルキルの例としては、限定するものではないが、メチル、エチル、n-プロピル、i-プロピルが挙げられる。 As used herein, the term “alkyl” refers to a straight or branched hydrocarbon chain containing the specified number of carbon atoms. For example, C 1 -C 3 alkyl means a straight or branched hydrocarbon chain containing at least 1 and at most 3 carbon atoms. Examples of alkyl as used herein include, but are not limited to, methyl, ethyl, n-propyl, i-propyl.
本明細書中で用いる用語「シクロアルキル」は、特定の数の炭素原子を含む完全に飽和した炭化水素環をいう。用語「シクロアルキル」は、単環構造及び二環構造を包含する。本明細書中で用いるシクロアルキルの例としては、限定するものではないが、シクロヘキシル、シクロプロピルが挙げられる。 As used herein, the term “cycloalkyl” refers to a fully saturated hydrocarbon ring containing the specified number of carbon atoms. The term “cycloalkyl” includes monocyclic and bicyclic structures. Examples of cycloalkyl as used herein include, but are not limited to, cyclohexyl, cyclopropyl.
本明細書中で用いる用語「アリール」は、特定の数の炭素原子を含む飽和若しくは不飽和の炭化水素環であり得る不飽和化合物をいう。用語「アリール」は、単環構造及び二環構造を包含する。本明細書中で用いるアリールの例としては、限定するものではないが、フェニル、ナフチルが挙げられる。 The term “aryl” as used herein refers to an unsaturated compound that can be a saturated or unsaturated hydrocarbon ring containing the specified number of carbon atoms. The term “aryl” includes monocyclic and bicyclic structures. Examples of aryl used herein include, but are not limited to, phenyl and naphthyl.
シクロアルキルまたはアリール環系が1個以上のヘテロ原子を含む場合、これらはN、SまたはOから選択され、好ましくはNである。従って、用語「ヘテロサイクリック」及び「ヘテロアリール」はそれぞれ、N、SまたはOから選択され、好ましくはNである3個までのヘテロ原子を含むシクロアルキル基及びアリール基をいう。 If the cycloalkyl or aryl ring system contains one or more heteroatoms, these are selected from N, S or O, preferably N. Thus, the terms “heterocyclic” and “heteroaryl” refer to cycloalkyl and aryl groups containing up to 3 heteroatoms, each selected from N, S or O, preferably N.
R、R1及びR2の1以上、またはそれらの間で形成される環が置換されている場合、1〜3個の置換基が存在でき、これらはハロゲン、ヒドロキシ、C1-3アルキル、C1-3アルケニル、C1-3アルコキシ、ニトロ、ニトリル及びCONH2から選択される。
When one or more of R, R 1 and
便宜的に、標的基質を、その特定の基質に対する活性及びエナンチオ選択性が改善された酵素の進化のために用いることができる。 Conveniently, the target substrate can be used for the evolution of an enzyme with improved activity and enantioselectivity for that particular substrate.
従って本発明は、酵素の変異及びホモキラル基質に対する活性が改善された変異体の選択を含む定方向進化によって、アミンオキシダーゼ、特にモノアミンオキシダーゼの触媒活性、及び場合によってエナンチオ選択性を改善する方法を提供する。こうした方法によって選択される酵素変異型の、アミンの脱ラセミ化またはエピマー化のための方法における使用もまた提供される。 Thus, the present invention provides a method for improving the catalytic activity, and possibly the enantioselectivity of amine oxidases, in particular monoamine oxidases, by directed evolution including enzyme mutations and selection of mutants with improved activity against homochiral substrates. To do. Also provided is the use of an enzyme variant selected by such a method in a method for deracemization or epimerization of amines.
A. nigerのMAOの野生型アミノ酸配列を配列番号1に示す。一実施形態において、本発明は、酵素がアミノ酸334-350の領域、特にアミノ酸336及び/またはアミノ酸348において、より具体的には変異N336Sまたは二重変異N336S, M348Kの取り込みによって野生型A. niger MAOと異なるA. niger MAOの変異型を提供する。かくして本発明は、配列番号2に示すアミノ酸配列を有するA. niger MAOの変異型を、更なる実施形態において、配列番号3に示すアミノ酸配列を有するA. niger MAOの変異型を提供する。 The wild-type amino acid sequence of A. niger MAO is shown in SEQ ID NO: 1. In one embodiment, the present invention relates to wild type A. niger by incorporation of the enzyme in the region of amino acids 334-350, in particular amino acid 336 and / or amino acid 348, more specifically the mutant N336S or the double mutant N336S, M348K. A variant of A. niger MAO that differs from MAO is provided. Thus, the present invention provides a variant of A. niger MAO having the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2, and in a further embodiment, a variant of A. niger MAO having the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 3.
本明細書及び添付の請求の範囲を通して、文脈上他の意味とならない限り、単語「含む」、及び「含有する」及び「含んでいる」等の変形は、記載された数若しくは段階または数若しくは段階の群を包含するが、他の数若しくは段階または数若しくは段階の群を排除しないことを意味すると理解されるであろう。 Throughout this specification and the appended claims, unless the context indicates otherwise, the words “including” and “including” and “including” variations such as the stated number or step or number or It will be understood that it includes a group of stages but does not exclude other numbers or stages or groups of numbers or stages.
キラル化合物は、立体化学的に異なる2種以上のエナンチオマーを有する。キラル化合物の2種以上のエナンチオマーを含む組成物は、等量または実質的に等量のエナンチオマーを含有する場合、「ラセミ混合物」と呼ばれる。対照的に、実質的に対応するエナンチオマーのない単一のエナンチオマーを含むか、あるいは他方のエナンチオマーのない本質的に一方のエナンチオマーからなる場合、組成物は「ホモキラル」、「エナンチオマー的に純粋」または「実質的に純粋な単独のエナンチオマー」である。「実質的に純粋」とは、対応するエナンチオマーが約5重量%以下、特に約3重量%以下、更には約1重量%未満で存在することを意味する。「エナンチオ選択的」及び「立体選択的」は、本明細書において互いに交換可能に用いられ、キラル化合物の一方のエナンチオマーが他方よりも好都合である反応の傾向をいう。「部分的に立体選択的」(または「部分的にエナンチオ選択的」)、「非−エナンチオ選択的」等は、それらに応じて理解すべきである。 A chiral compound has two or more enantiomers that are stereochemically different. A composition comprising two or more enantiomers of a chiral compound is termed a “racemic mixture” if it contains equal or substantially equal amounts of enantiomers. In contrast, a composition is “homochiral”, “enantiomerically pure” or comprises a single enantiomer substantially free of the corresponding enantiomer, or consists essentially of one enantiomer without the other enantiomer, or “Substantially pure single enantiomer”. “Substantially pure” means that the corresponding enantiomer is present in less than about 5% by weight, in particular less than about 3% by weight, and even less than about 1% by weight. “Enantioselective” and “stereoselective” are used interchangeably herein and refer to the tendency of a reaction in which one enantiomer of a chiral compound is favored over the other. “Partially stereoselective” (or “partially enantioselective”), “non-enantioselective” and the like should be understood accordingly.
以下、添付の図面及び配列表を参照して本発明をより詳細に記載する。 The present invention will now be described in more detail with reference to the accompanying drawings and sequence listing.
配列番号1:野生型Aspergillus nigerモノアミンオキシダーゼ酵素のアミノ酸配列を示す(注記:本発明者等は、配列がSchilling & Lerch(10,11)によって報告されたものと4つのアミノ酸で異なることを見出した。これらの違いは、おそらく元のDNA配列決定時の誤りによるものと思われる。これらのうち2つの違いについてはSablin(12)によっても指摘されている)。 SEQ ID NO: 1 shows the amino acid sequence of the wild-type Aspergillus niger monoamine oxidase enzyme (Note: We found that the sequence differs by 4 amino acids from that reported by Schilling & Lerch (10,11)) These differences are probably due to errors in the original DNA sequencing, two of which are also pointed out by Sablin (12)).
配列番号2:実施例における定方向進化によって作製した変異型モノアミンオキシダーゼ酵素のアミノ酸配列を示す。変異N336Sを太字で下線を引いて示す。 SEQ ID NO: 2 This shows the amino acid sequence of a mutant monoamine oxidase enzyme prepared by directed evolution in the examples. Mutation N336S is shown in bold and underlined.
配列番号3:配列番号2のN336S変異型酵素の部位特異的突然変異誘発によって作製した変異型モノアミンオキシダーゼ酵素のアミノ酸配列を示す。変異N336S及びM348Kを太字で下線を引いて示す。 SEQ ID NO: 3 This shows the amino acid sequence of a mutant monoamine oxidase enzyme prepared by site-directed mutagenesis of the N336S mutant enzyme of SEQ ID NO: 2. Mutations N336S and M348K are shown in bold and underlined.
本明細書において、本発明者等は、キラルアミンの脱ラセミ化に初めて適用することによる、脱ラセミ化の著しく新たな拡張を報告する。反応は、図1に示す一般的なスキームに従う。酵素は2つのキラル形態の一方に優先的に反応するため、一方のエナンチオマーを他方に変換し、他方は未反応のままとする。酵素反応によって、窒素に結合した炭素にキラル中心を有さないアキラルなイミンが生成する。イミンの非選択的還元の結果、アミンエナンチオマーの1:1混合物が生成する(部分的に選択的な還元剤を用いた場合には、アミンエナンチオマーの非等量混合物が形成する)。この工程を多数回のサイクルで実施すると、アミンは(十分にエナンチオ選択的なアミンオキシダーゼとなる)エナンチオマー的純粋に近づく。イミンがケトンへの加水分解が起こる前に効率的に還元され得るとすれば、収率は100%に近づき得る。 Here we report a significant new extension of deracemization, with the first application to chiral amine deracemization. The reaction follows the general scheme shown in FIG. Since the enzyme preferentially reacts with one of the two chiral forms, it converts one enantiomer to the other and leaves the other unreacted. The enzymatic reaction produces an achiral imine that does not have a chiral center at the carbon attached to the nitrogen. Non-selective reduction of the imine results in a 1: 1 mixture of amine enantiomers (a non-equal mixture of amine enantiomers is formed when a partially selective reducing agent is used). When this step is performed in multiple cycles, the amine approaches enantiomeric purity (which becomes a sufficiently enantioselective amine oxidase). If the imine can be efficiently reduced before hydrolysis to the ketone occurs, the yield can approach 100%.
アミンオキシダーゼは、2つの群、すなわちI型(Cu/TOPA依存型)及びII型(フラビン依存型)に分類されている(15)。I型酵素の触媒サイクルにおいて、中間体のイミンはタンパク質に共有結合したままであり、イミンを還元してアミンに戻す反応におけるこの段階での干渉を緩和する。II型酵素はもっぱら哺乳動物起源のもので研究されている(9)が、微生物起源のII型酵素はよく実証されておらず、事実、本発明者等の研究開始時には、エナンチオ選択的形質転換に関しての報告はなかった。Schillingら(10,11)はAspergillus nigerのII型モノアミンオキシダーゼ(MAO-N)のクローニング及び発現を報告し、次いでSablinら(12)は酵素を均一にまで精製し、基質特異性及び速度論的研究を実施した。酵素は単純な脂肪族アミン(例えばアミルアミン、ブチルアミン)に対して高い活性を有するが、ベンジルアミンに対しても、より低いが、活性であることが報告された。 Amine oxidases are classified into two groups, type I (Cu / TOPA dependent) and type II (flavin dependent) (15). In the catalytic cycle of the type I enzyme, the intermediate imine remains covalently bound to the protein, mitigating interference at this stage in the reaction of reducing the imine back to the amine. Type II enzymes have been studied exclusively with mammalian origin (9), but type II enzymes of microbial origin have not been well documented, and in fact, at the beginning of our research, enantioselective transformation There was no report about. Schilling et al. (10, 11) reported the cloning and expression of type II monoamine oxidase (MAO-N) from Aspergillus niger, then Sablin et al. (12) purified the enzyme to homogeneity, substrate specificity and kinetics. The study was conducted. The enzyme has been reported to be highly active against simple aliphatic amines (eg amylamine, butylamine), but to a lesser extent also against benzylamine.
本発明者等の研究から、A. niger MAO-N酵素は、L-α-メチルベンジルアミンに対して非常に低いが測定可能な活性を有し、D-エナンチオマーの酸化はずっと遅いことが明らかになった。従ってこの酵素は部分的にエナンチオ選択的である。本発明者等はin vitro進化(16,17)を行い、野生型A. niger MAO-N酵素よりも触媒活性及びエナンチオ選択性が改善した新規なアミンオキシダーゼ酵素を作製した。本発明者等はまた、脱ラセミ化反応における進化した変異体の適用性を示した。 Our studies show that the A. niger MAO-N enzyme has very low but measurable activity on L-α-methylbenzylamine and the oxidation of the D-enantiomer is much slower Became. This enzyme is therefore partially enantioselective. The present inventors performed in vitro evolution (16, 17), and produced a novel amine oxidase enzyme with improved catalytic activity and enantioselectivity over the wild type A. niger MAO-N enzyme. We have also shown the applicability of evolved mutants in deracemization reactions.
酵素変異型の大きなライブラリーを作製するために、本発明者等は、野生型A. nigerアミンオキシダーゼ酵素をコードするインサートを含むプラスミドのランダム変異のための突然変異誘発株を用いた。以前にin vitro進化実験のために大腸菌XL1-Red突然変異誘発株(Stratagene)を用いたが、これはプラスミドの全ての部分が変異の対象になり(参考:error prone PCRでは目的の遺伝子のみが変異される)、結果として酵素産生の改善ができ、並びに酵素活性及び/または特異性が変化するという利点がある。プラスミドライブラリーを大腸菌BL21細胞中に形質転換した後、突然変異誘発株で複数回のサイクルを実施し、約106個の変異型のライブラリーを作製できた。 To create a large library of enzyme variants, we used mutagenized strains for random mutation of plasmids containing inserts encoding wild type A. niger amine oxidase enzyme. Previously, E. coli XL1-Red mutagen (Stratagene) was used for in vitro evolution experiments, but all parts of the plasmid were subject to mutation (reference: error prone PCR only shows the target gene). Mutated), resulting in improved enzyme production and altered enzyme activity and / or specificity. After transforming the plasmid library into E. coli BL21 cells, multiple cycles were performed with the mutagenized strain, and a library of about 10 6 mutants could be generated.
変異体酵素が生成したので、これらをアミンオキシダーゼ活性についてアッセイした。アミンオキシダーゼは副産物として過酸化水素を放出するという点で、オキシダーゼファミリーの全てのメンバーの典型である。オキシダーゼ活性についてのアッセイで報告されているものの多くは、過酸化水素の産生を、特に酸化によってはっきり着色する生成物が得られる基質の存在下でパーオキシダーゼと組み合わせて利用するものである。本発明者等はまず、パーオキシダーゼの基質としてアミノアンチピリン/トリブロモヒドロキシ安息香酸を用い、容易に視覚化できるはっきりしたピンクがかった赤のコロニーを得た。しかしながら、着色した生成物は相対的に可溶性であり、従って活性コロニーからの色が速やかに拡散してバックグラウンド強度が高くなってしまう。この問題は、暗いピンク色の不溶性生成物を産し、その結果活性コロニーの非常に高度な明確度とコントラストが得られる3,3'-ジアミノベンザジン(DAB)に基質を切替えることで克服した。このハイスループットスクリーニングが、アミンオキシダーゼだけでなく他のオキシダーゼ酵素にも一般的に適用可能であることに留意すべきである。 As mutant enzymes were produced, they were assayed for amine oxidase activity. Amine oxidase is typical of all members of the oxidase family in that it releases hydrogen peroxide as a byproduct. Much of what has been reported in assays for oxidase activity utilizes hydrogen peroxide production in combination with peroxidase, particularly in the presence of a substrate that yields a product that is clearly colored upon oxidation. We first used aminoantipyrine / tribromohydroxybenzoic acid as a substrate for peroxidase to obtain a clear pinkish red colony that can be easily visualized. However, the colored product is relatively soluble so that the color from the active colonies diffuses quickly and the background intensity increases. This problem was overcome by switching the substrate to 3,3'-diaminobenzazine (DAB) which yielded a dark pink insoluble product, resulting in a very high definition and contrast of active colonies. . It should be noted that this high throughput screening is generally applicable not only to amine oxidase but also to other oxidase enzymes.
このライブラリーを寒天プレート上のニトロセルロースフィルターの上に直接蒔き(プレートあたり約3,000コロニー)、プレートのサブセットを用いてスクリーニングプロトコルに従った(図2参照)。各フィルターをペトリ皿に移し、細胞を部分的に溶解させるために−20℃で24-72時間保存した。その後、各プレートをアッセイ混合物及び2%アガロースの双方を含有するカクテルで60℃で処理した。プレートを37℃で24-48時間インキュベートし、その後、陽性クローンを調べ、次いでそれらを採り、更に希釈してプレートに蒔き、純粋なコロニーを単離した。 This library was plated directly on a nitrocellulose filter on an agar plate (approximately 3,000 colonies per plate) and a screening protocol was followed using a subset of the plate (see FIG. 2). Each filter was transferred to a Petri dish and stored at −20 ° C. for 24-72 hours to partially lyse the cells. Each plate was then treated at 60 ° C. with a cocktail containing both the assay mixture and 2% agarose. Plates were incubated for 24-48 hours at 37 ° C., after which positive clones were examined and then picked, further diluted and plated onto plates to isolate pure colonies.
最初のライブラリーのサブセット(約150,000クローン)のスクリーニングの結果、野生型酵素と比較してL-AMBAに対する活性が改善した35個のクローンが同定された。これらのクローンのそれぞれを小規模で増殖させ、無細胞抽出物としてL-及びD-AMBAの双方に対してアッセイした結果、最良の27個のクローンが得られ、これを次の研究のために選択した。これら27個のそれぞれをL-AMBA及びD-AMBAに対してアッセイし、結果を図3に示す。最後に、L-AMBA対D-AMBAに対するその選択性、及び活性の点で野生型酵素よりも最大の改善を示した変異体酵素のクローンを、より詳細な実験のために選択した。次いで更なる変異を導入して発現を高めた。 Screening the first library subset (about 150,000 clones) identified 35 clones with improved activity against L-AMBA compared to the wild-type enzyme. Each of these clones was grown on a small scale and assayed for both L- and D-AMBA as a cell-free extract, resulting in the best 27 clones for further study. Selected. Each of these 27 was assayed against L-AMBA and D-AMBA and the results are shown in FIG. Finally, mutant enzyme clones that showed the greatest improvement over the wild-type enzyme in terms of their selectivity for L-AMBA versus D-AMBA and activity were selected for more detailed experiments. Additional mutations were then introduced to increase expression.
アミノ酸をコードするためにDNA及びRNAにおいて使用されるコドンは特定の重複(縮重)を示すことが知られている。従って、あるアミノ酸が2種以上の3塩基コドンでコードされる場合がある。しかしながら、ある生物が、特定のアミノ酸に対して選択肢のあるコドンの一方を他方よりもより普通に使用する場合がある。このことは、異種の核酸を発現のために宿主生物中に導入する場合に関係してくる。時には元の生物で使用されるコドンが宿主にとっては「より好ましくない」コドンであり、その結果、発現レベルの低下等、発現が困難になり得る。同様に、ある種のアミノ酸で、ある生物のプロテオームにおいて提示されることが他の生物と比較してより少ないことがあり得る。宿主にとって好ましくないコドン及び/またはアミノ酸をより好ましい代替物に交換するように別の核酸配列を使用することによって、宿主細胞における異種発現のレベルを上げることが可能である場合がある。本発明は、A. nigerのMAOの変異型であり、R259及びR260のコドンが異種宿主細胞における発現のために最適化されたモノアミンオキシダーゼ酵素をコードする単離された核酸を提供する。より具体的には、MAOの発現を大腸菌内で起こすことを意図する場合には、これらの位置におけるアミノ酸のアルギニンを、電荷及び大きさが同様の別のアミノ酸で置き換える。これらの変異を、変異体酵素の触媒活性及び/またはエナンチオ選択性を変更する変異に追加することができる。更なる実施形態において、A. niger MAOの変異型であり、変異N336S、及び変異M348K、R259L及びR260Lの1以上を組み込むことによって野生型A. nigerモノアミンオキシダーゼと異なる、エナンチオ選択的モノアミンオキシダーゼ酵素を提供する。 Codons used in DNA and RNA to encode amino acids are known to exhibit certain overlaps (degeneracy). Thus, an amino acid may be encoded by two or more three base codons. However, an organism may use one of the alternative codons for a particular amino acid more commonly than the other. This is relevant when introducing heterologous nucleic acids into the host organism for expression. Sometimes the codons used in the original organism are “more unfavorable” codons for the host, and as a result expression can be difficult, such as reduced expression levels. Similarly, certain amino acids may be less presented in the proteome of an organism compared to other organisms. It may be possible to increase the level of heterologous expression in the host cell by using alternative nucleic acid sequences to exchange unfavorable codons and / or amino acids for a more preferred alternative. The present invention provides an isolated nucleic acid that is a variant of A. niger MAO and that encodes a monoamine oxidase enzyme in which the codons for R259 and R260 are optimized for expression in a heterologous host cell. More specifically, if the expression of MAO is intended to occur in E. coli, the amino acid arginine at these positions is replaced with another amino acid of similar charge and size. These mutations can be added to mutations that alter the catalytic activity and / or enantioselectivity of the mutant enzyme. In a further embodiment, an enantioselective monoamine oxidase enzyme that is a variant of A. niger MAO and differs from wild-type A. niger monoamine oxidase by incorporating mutation N336S and one or more of mutations M348K, R259L, and R260L. provide.
以下で同定した変異体N336Sは、位置336の周囲のアミノ酸に更なる変異を導入する「ホットスポット」変異の基礎とすることができる。変異は部位特異的突然変異誘発によって、制限酵素を用いる「カットアンドペースト」方法論でキメラ組み換え酵素を構築することによって、あるいは当業者に周知の他の手段によって、おこすことができる。この方法を用いて、N336S変異体よりも活性が増大した更なる変異体、例えば本明細書中で同定したN336S, M348K二重変異体を同定する。 The mutant N336S identified below can be the basis for a “hot spot” mutation that introduces additional mutations in the amino acids around position 336. Mutations can be effected by site-directed mutagenesis, by constructing chimeric recombinant enzymes in a “cut and paste” methodology using restriction enzymes, or by other means well known to those skilled in the art. This method is used to identify additional mutants with increased activity over the N336S mutant, such as the N336S, M348K double mutant identified herein.
〔実施例1〕
大腸菌XL1-Red突然変異誘発株による変異プラスミドDNAライブラリーの作製
pET3a中にクローニングしたAspergillus nigerのMAO遺伝子を、B. Schilling(11)から入手した。この遺伝子を、大腸菌コドン使用に従って設計されたプライマーを用いてpfu Turbo DNAポリメラーゼによって増幅した。PCR産物をpET16bベクター(Novagen)中にサブクローニングした。この構築物(MAOpET16b)を大腸菌XL1-Red突然変異誘発株による突然変異誘発に用いた。
[Example 1]
Construction of mutant plasmid DNA library using Escherichia coli XL1-Red mutagen
The Aspergillus niger MAO gene cloned into pET3a was obtained from B. Schilling (11). This gene was amplified by pfu Turbo DNA polymerase using primers designed according to E. coli codon usage. The PCR product was subcloned into the pET16b vector (Novagen). This construct (MAOpET16b) was used for mutagenesis with E. coli XL1-Red mutagen.
大腸菌XL1-Red突然変異誘発株コンピテント細胞はStratageneから入手した。コンピテント細胞を、Stratageneプロトコルに記載されたようにして形質転換した。形質転換細胞懸濁液(Transformation 1)700μlを、アンピシリン(100μg/ml; LB Amp)を含有するLB培地(トリプトン 10g/L、酵母抽出物 5g/L、NaCl 10g/L、pH7)20ml中に接種し、インキュベーターシェイカーに入れた50mlのFalconチューブ中で37℃で18時間増殖させた。これらの増殖条件を全実験を通して使用した。 E. coli XL1-Red mutagenized competent cells were obtained from Stratagene. Competent cells were transformed as described in the Stratagene protocol. 700 μl of the transformed cell suspension (Transformation 1) in 20 ml of LB medium (trypton 10 g / L, yeast extract 5 g / L, NaCl 10 g / L, pH 7) containing ampicillin (100 μg / ml; LB Amp) Inoculated and grown for 18 hours at 37 ° C. in a 50 ml Falcon tube in an incubator shaker. These growth conditions were used throughout the experiment.
増殖中の培養物20μlを10mlの新しいLB Amp中に接種し、24時間増殖させた。1mlの培養液からプラスミドを精製し(Qiagen Plasmid DNA Miniprep Kit)(pMAO2)、突然変異誘発株の2回目の形質転換(形質転換II)のために使用した。形質転換させた細胞懸濁液全体を10mlのLB Amp中に接種し、24時間増殖させた。1mlの培養液からプラスミドを精製した(pMAOretr1.1)。形質転換IIの増殖中の培養物100μlを用いて10mlのLB Ampに接種した。培養物を24時間増殖させ、プラスミドを精製し(pMAOretr1.2)、形質転換IIIのために使用した。形質転換させた細胞懸濁液全体(1ml)を10mlのLB Amp中に接種し、24時間増殖させ、プラスミドを精製した(pMAOretr2.1)。形質転換IIIの増殖中の培養物100μl別の10mlのLB Ampに接種し、24時間増殖させ、1mlの培養液からプラスミドを精製し(pMAOretr2.2)、形質転換IVのために使用した。形質転換させた細胞の懸濁液全体(1ml)を用いて10mlのLB Ampに接種し、24時間増殖させ、1mlの培養液からプラスミドを精製した(pMAOretr3.1)。形質転換IVの増殖中の培養物100μlを用いて新しい10mlのLB Ampに接種し、24時間増殖させ、プラスミドを精製した(pMAOretr3.2)。 20 μl of growing culture was inoculated into 10 ml of fresh LB Amp and allowed to grow for 24 hours. The plasmid was purified from 1 ml of culture (Qiagen Plasmid DNA Miniprep Kit) (pMAO2) and used for the second transformation of the mutagen (transformation II). The entire transformed cell suspension was inoculated into 10 ml LB Amp and allowed to grow for 24 hours. Plasmid was purified from 1 ml culture (pMAOretr1.1). 10 ml of LB Amp was inoculated with 100 μl of a growing culture of transformation II. The culture was grown for 24 hours and the plasmid was purified (pMAOretr1.2) and used for transformation III. The entire transformed cell suspension (1 ml) was inoculated into 10 ml LB Amp, grown for 24 hours and the plasmid purified (pMAOretr2.1). 100 μl of growing culture of transformation III was inoculated into another 10 ml LB Amp, grown for 24 hours, the plasmid was purified from 1 ml culture (pMAOretr2.2) and used for transformation IV. The entire suspension of transformed cells (1 ml) was used to inoculate 10 ml of LB Amp, grown for 24 hours, and the plasmid was purified from 1 ml of culture (pMAOretr3.1). 100 μl of growing culture of transformation IV was used to inoculate a new 10 ml LB Amp, grown for 24 hours and the plasmid purified (pMAOretr3.2).
変異したプラスミドDNA(pMAOretr2.2、pMAOretr3.1、pMAOretr3.2)の回収したプールを用いて大腸菌BL21(DE3)を形質転換して変異したMAO遺伝子を発現させ、L-α-メチルベンジルアミン(L-AMBA)に対する活性を検出した。 Escherichia coli BL21 (DE3) was transformed with the pool of the mutated plasmid DNA (pMAOretr2.2, pMAOretr3.1, pMAOretr3.2) to express the mutated MAO gene, and L-α-methylbenzylamine ( L-AMBA) activity was detected.
〔実施例2〕
MAO変異体のスクリーニング
プレートアッセイ法(図2)を用い、L-AMBAに対して活性を有するMAO変異体を同定した。より具体的には、大腸菌BL21(DE3)形質転換体(プレートあたり2500コロニー)を、LB Amp寒天プレート上に載せたHiBond-C Extra(Amersham Pharmacia)膜上に播き、37℃で24時間インキュベートした。コロニーを含む膜をプレートからとり、−20℃に24時間おき、アッセイ混合液と共に室温で24時間インキュベートした。
[Example 2]
A MAO variant screening plate assay (FIG. 2) was used to identify MAO variants having activity against L-AMBA. More specifically, E. coli BL21 (DE3) transformants (2500 colonies per plate) were plated on HiBond-C Extra (Amersham Pharmacia) membranes mounted on LB Amp agar plates and incubated at 37 ° C. for 24 hours. . Membranes containing colonies were removed from the plates, placed at −20 ° C. for 24 hours and incubated with the assay mixture for 24 hours at room temperature.
アッセイ混合液
DAB(3,3'-ジアミノベンジジン、Sigma、D-4418)1錠
リン酸カリウム緩衝液(1M、pH7.6)1ml
L-AMBA(10mM) 30μl
西洋ワサビペルオキシダーゼ(Sigma)1mg/ml 30μl
2%アガロース(Bio-Rad)10ml
水 20mlまで
陽性のクローンを第2ラウンドのスクリーニング(プレートあたり100-200コロニー)に供して活性を確認した。
Assay mixture
1 tablet of DAB (3,3′-diaminobenzidine, Sigma, D-4418) 1 ml of potassium phosphate buffer (1M, pH 7.6)
L-AMBA (10 mM) 30 μl
Horseradish peroxidase (Sigma) 1 mg /
10% 2% agarose (Bio-Rad)
Water up to 20 ml Positive clones were subjected to a second round of screening (100-200 colonies per plate) to confirm activity.
〔実施例3〕
活性研究
a)クローン選択
プレートアッセイにおいて、野生型酵素と比較してL-AMBAに対する活性が改善したと同定された27個の陽性クローンを小規模で増殖させ、L-AMBA及びD-AMBAの双方に対してアッセイした。目的の遺伝子を有するタンパク質発現ベクターpET16bで形質転換した大腸菌BL21(DE3)の一つのコロニーを10mlのLB Ampに接種し、50mlのFalconチューブ中で振とうしながら24時間培養した。インキュベーションの最後に、細胞培養液1mlを遠心分離し、ペレットを25mMのリン酸カリウム緩衝液pH7.6の1ml中に再懸濁し、0.1mlを使用し、L-及びD-AMBAの双方を基質として用いて過酸化水素形成アッセイを行った。
Example 3
Activity study
a) In a clone selection plate assay, 27 positive clones identified as having improved activity against L-AMBA compared to the wild type enzyme were grown on a small scale and against both L-AMBA and D-AMBA Assayed. One colony of E. coli BL21 (DE3) transformed with the protein expression vector pET16b having the target gene was inoculated into 10 ml of LB Amp and cultured for 24 hours while shaking in a 50 ml Falcon tube. At the end of the incubation, 1 ml of cell culture is centrifuged, the pellet is resuspended in 1 ml of 25 mM potassium phosphate buffer pH 7.6, 0.1 ml is used and both L- and D-AMBA are substrate As a hydrogen peroxide formation assay.
アッセイ混合液:(Manfred Braunら、Applied Microbiology and Biotechnology (1992) 37:594-598)
リン酸緩衝液(1M、pH7.6)5ml
2,4,6-トリブロモヒドロ安息香酸(DMSO中2%)500μl
4-アミノアンチプリン(1M)37.5μl
L-またはD-AMBA(最終濃度5mM)32.5μl
水 50mlまで
895μlのアッセイ混合液に以下を添加した:
HRP(Sigma, P6782)(1mg/ml)5μl
サンプル(100μl)を添加し、24時間後に510nmの吸光度をサンプルなしの対照に対して測定した。吸光度の結果を図3に示す。
Assay mixture : (Manfred Braun et al., Applied Microbiology and Biotechnology (1992) 37: 594-598)
Phosphate buffer solution (1M, pH7.6) 5ml
2,4,6-Tribromohydrobenzoic acid (2% in DMSO) 500 μl
4-Aminoantipurine (1M) 37.5μl
L- or D-AMBA (
Up to 50 ml of water
The following was added to the 895 μl assay mixture:
5 μl of HRP (Sigma, P6782) (1 mg / ml)
Sample (100 μl) was added and after 24 hours the absorbance at 510 nm was measured against a control without sample. The absorbance results are shown in FIG.
これらの27個のクローンのうちの数個は、ポリアクリルアミドゲル上で可視化するとタンパク質発現の上昇を示しており、発現変異体であることが明らかである(データは示さない)。発現の上昇はないようであるが、L-対D-AMBAに対するその選択性、及び活性の点で野生型酵素よりも大きく改善されたことを示した、同定された最良の変異体のプラスミドをより大きな規模で増殖させ、酵素を精製した。野生型酵素も同じプロトコルで精製し、2つの酵素について基質特異性及びエナンチオ選択性を比較した。 Some of these 27 clones show increased protein expression when visualized on polyacrylamide gels and are clearly expression variants (data not shown). The best mutant plasmid identified showed no significant increase in expression but its selectivity for L-vs D-AMBA and a significant improvement over the wild-type enzyme in terms of activity. Growing on a larger scale, the enzyme was purified. The wild-type enzyme was also purified using the same protocol and the substrate specificity and enantioselectivity were compared for the two enzymes.
変異した遺伝子も配列決定し、その配列を配列番号2に示す。野生型酵素とは、位置336のアスパラギンがセリンに置換され、1個のアミノ酸の変化があった。 The mutated gene was also sequenced and the sequence is shown in SEQ ID NO: 2. In the wild type enzyme, the asparagine at position 336 was replaced with serine and there was a single amino acid change.
b)変異型及び野生型酵素の増殖及び比較
大腸菌BL21(DE3)で発現したMAO変異型の増殖及び精製
1Lのバッフル(baffled)フラスコ中のアンピシリン(100μg.ml-1)を含有するLB培地(6×300ml)に、LB寒天プレートからのモノアミンオキシダーゼ変異体の単一のコロニーを接種した。培養液を30℃で22時間インキュベートし(OD600〜3.6)、次いで回収し、リン酸緩衝液(50mM、pH8)で洗浄して黄褐色のペレットを得た(11.2g)。
b) Growth and comparison of mutant and wild type enzymes
Growth and purification of MAO mutants expressed in E. coli BL21 (DE3)
LB medium (6 × 300 ml) containing ampicillin (100 μg.ml −1 ) in a 1 L baffled flask was inoculated with a single colony of monoamine oxidase mutant from the LB agar plate. The culture was incubated at 30 ° C. for 22 hours (OD 600 -3.6), then harvested and washed with phosphate buffer (50 mM, pH 8) to give a tan pellet (11.2 g).
ペレットをTris/HCl緩衝液(25mM、pH7.8、30ml)中に再懸濁し、氷上で音波処理した(30秒間オン、30秒間オフを10分間)。次いで、透明な上清が得られるまで懸濁液を遠心分離し(20,000rpm、4℃)、上清をTris/HCl緩衝液(25mM、pH7.8)に対して透析した。無細胞抽出液を0.45μmの無菌メンブレンを通して濾過し、QSepharoseアニオン交換カラムでクロマトグラフィーにかけた。過酸化水素に基づく比色法を用いて画分をアッセイし、活性画分を−80℃で保存した。活性画分は1mg.ml-1のタンパク質含量、アミルアミンに対する比活性0.193U.mg-1を有していた。 The pellet was resuspended in Tris / HCl buffer (25 mM, pH 7.8, 30 ml) and sonicated on ice (30 seconds on, 30 seconds off for 10 minutes). The suspension was then centrifuged (20,000 rpm, 4 ° C.) until a clear supernatant was obtained, and the supernatant was dialyzed against Tris / HCl buffer (25 mM, pH 7.8). The cell-free extract was filtered through a 0.45 μm sterile membrane and chromatographed on a QSepharose anion exchange column. Fractions were assayed using a colorimetric method based on hydrogen peroxide and the active fractions were stored at -80 ° C. Active fractions had a protein content of 1mg.ml -1, specific activity 0.193U.Mg -1 for amylamine.
クロマトグラフィー条件:
カラム=HiFlow QSepharose 26/10
緩衝液A=Tris/HCl(25mM, pH7.8)
緩衝液B=Tris/HCl(25mM, pH7.8)+1M NaCl
流速=4ml.min-1
画分回収=10ml
カラム洗浄=2CV 100% 緩衝液A
溶出=10CV 100% 緩衝液A から 100% 緩衝液B
カラム洗浄=4CV 100% 緩衝液B
アッセイ混合液
リン酸緩衝液(1M、pH7.6)5ml
2,4,6-トリブロモ-3-ヒドロキシ安息香酸(DMSO中2%)500μl
4-アミノアンチピリン(1.5 M)37.5μl
アミン基質(最終濃度0.015-5mM)30μl
水 44.4ml
アッセイ条件
アッセイ混合液990μl
西洋ワサビペルオキシダーゼ(1mg.ml-1)5μl
酵素10μl
分光光度計はアッセイ混合液及びHRPに対してブランクとなるようにした。酵素を添加し、500nmの吸光度を3秒の間隔をおいて10分間測定した。
Chromatographic conditions:
Column =
Buffer A = Tris / HCl (25 mM, pH 7.8)
Buffer B = Tris / HCl (25 mM, pH 7.8) + 1 M NaCl
Flow rate = 4ml.min -1
Fraction collection = 10ml
Column wash =
Elution = 10CV 100% Buffer A to 100% Buffer B
Column wash =
Assay mixture phosphate buffer (1M, pH7.6) 5ml
2,4,6-Tribromo-3-hydroxybenzoic acid (2% in DMSO) 500 μl
4-Aminoantipyrine (1.5 M) 37.5 μl
30 μl of amine substrate (final concentration 0.015-5 mM)
Water 44.4ml
Assay conditions Assay mixture 990 μl
Horseradish peroxidase (1mg.ml- 1 ) 5μl
10 μl enzyme
The spectrophotometer was blanked for the assay mixture and HRP. Enzyme was added and absorbance at 500 nm was measured for 10 minutes at 3 second intervals.
結果:result:
Km値は、「KaleidaGraph for Windows」(Synergy Software)を用いて計算した。Kcatの計算のために、11mM-1cm-1の減衰係数を用い、458nmにおける吸光度からFAD含量を推定することによって活性酵素濃度を決定した(ref 12を参照)。 Km values were calculated using “KaleidaGraph for Windows” (Synergy Software). For the calculation of K cat, the active enzyme concentration was determined by estimating the FAD content from the absorbance at 458 nm using an attenuation coefficient of 11 mM −1 cm −1 (see ref 12).
データから、L-AMBAに対する変異型アミンオキシダーゼの活性(kcat=8.0min-1)が野生型(kcat=0.17min-1)よりも47倍高いことがわかる。更に、L-エナンチオマー対D-AMBAに対する変異型の選択性(約100:1)もまた、野生型酵素(約17:1)と比較して上昇した。従って、in vitroの進化実験の結果、酵素のエナンチオ選択性及び触媒活性の双方が同時に改善された。比較のために、野生型酵素での最良の基質、すなわちアミルアミン及びベンジルアミンに対する活性を挙げる。キラルHPLC(Chiralcel CrownPak CR+)において、24時間後にL-エナンチオマーの完全な酸化が明らかであったのに対し、D-エナンチオマーの変換は検出できなかったことで、変異型の活性及び選択性における実質的な改善が確認された。 The data shows that the activity of mutant amine oxidase (kcat = 8.0min-1) against L-AMBA is 47 times higher than that of wild type (kcat = 0.17min-1). Furthermore, the selectivity of the mutant for L-enantiomer versus D-AMBA (about 100: 1) was also increased compared to the wild-type enzyme (about 17: 1). Thus, as a result of in vitro evolution experiments, both the enantioselectivity and catalytic activity of the enzyme were improved simultaneously. For comparison, the activities for the best substrates with wild-type enzymes, namely amylamine and benzylamine are listed. In chiral HPLC (Chiralcel CrownPak CR +), complete oxidation of the L-enantiomer was apparent after 24 hours, whereas no conversion of the D-enantiomer could be detected, resulting in substantial activity and selectivity of the mutant. Improvement was confirmed.
〔実施例4〕
脱ラセミ化反応
DL-AMBAを基質として用い、変異型MAO-Nの存在下、種々の還元剤をスクリーニングした(ホウ化水素ナトリウム、触媒的転移水素化、アミン:ボラン類)。このスクリーニングにより、D-AMBAの収率77%、エナンチオマー過剰率93%の最適な試薬としてアンモニア:ボランが同定された。生成物のより高い光学純度(99%e.e.まで)が達成できたが、その場合収率が低くなった。
Example 4
Deracemization reaction
DL-AMBA was used as a substrate, and various reducing agents were screened in the presence of mutant MAO-N (sodium borohydride, catalytic transfer hydrogenation, amine: boranes). This screening identified ammonia: borane as the optimal reagent with a D-AMBA yield of 77% and an enantiomeric excess of 93%. A higher optical purity of the product (up to 99% ee) could be achieved, but in that case the yield was low.
より具体的には、MAO変異体N336S(0.193U.ml-1を100μl=0.02U)をDL-AMBA(0.13μl、最終濃度=0.8mM)及びアンモニア-ボラン複合体(4M溶液を10μl、最終濃度=80mM、100eq)のリン酸緩衝液(400μl、20mM、pH8)溶液に添加した。10μlのアリコートを990μlの過塩素酸、pH1.5で希釈し、HPLCで分析した。反応混合液を30℃でインキュベートし、更なる反応が観察されなくなるまで、通常の間隔でHPLCによって反応をモニターした。
More specifically, MAO mutant N336S (0.193 U.ml −1 100 μl = 0.02 U) DL-AMBA (0.13 μl, final concentration = 0.8 mM) and ammonia-borane complex (4
D-AMBA収率=77%、e.e.=93%:
分析条件:カラム=Chiralcel CrownPak CR+
移動相=100%過塩素酸、pH1.5
流速=0.8ml.min-1
検出=200nm
温度=25℃
r.t.(L-AMBA)=12.8分
r.t.(D-AMBA)=16.5分
D-AMBA yield = 77%, ee = 93%:
Analysis conditions : Column = Chiralcel CrownPak CR +
Mobile phase = 100% perchloric acid, pH 1.5
Flow rate = 0.8ml.min -1
Detection = 200nm
Temperature = 25 ° C
rt (L-AMBA) = 12.8 minutes
rt (D-AMBA) = 16.5 minutes
〔実施例5〕
立体反転(stereoinversion)反応
本発明者等はまたL-AMBAからD-AMBAへの立体反転を行い(収率18%、99%e.e.)、同一の条件下でD-AMBAからL-AMBAへの変換が起こらないことを示した。
Example 5
Stereoinversion reaction We also performed stereoinversion from L-AMBA to D-AMBA (yield 18%, 99% ee) and under the same conditions from D-AMBA to L-AMBA. Indicates that no conversion occurs.
より具体的には、MAO変異体N336S(0.193U.ml-1を100μl=0.02U)をL-AMBA(0.13μl、最終濃度=0.4mM)及びアンモニア-ボラン複合体(4M溶液を10μl、最終濃度=80mM、200eq)のリン酸緩衝液(400μl、20mM、pH8)溶液に添加した。10μlのアリコートを990μlの過塩素酸、pH1.5で希釈し、HPLCで分析した。反応混合液を30℃でインキュベートし、更なる反応が観察されなくなるまで、通常の間隔でHPLCによって反応をモニターした。
More specifically, MAO mutant N336S (0.193 U.ml −1 100 μl = 0.02 U) L-AMBA (0.13 μl, final concentration = 0.4 mM) and ammonia-borane complex (4
D-AMBA収率=18%、e.e.>99%:
NB:同一の反応条件下でD-AMBAを基質として用いた場合、24時間後に反応は観察されなかった。
D-AMBA yield = 18%, ee> 99%:
NB: When D-AMBA was used as a substrate under the same reaction conditions, no reaction was observed after 24 hours.
分析条件:カラム=Chiralcel CrownPak CR+
移動相=100%過塩素酸、pH1.5
流速=0.8ml.min-1
検出=200nm
温度=25℃
r.t.(L-AMBA)=12.8分
r.t.(D-AMBA)=16.5分
HPLCクロマトグラムの分析から、脱ラセミ化反応における収率は、反応が進行するにつれて保持時間がより長い副産物が生成するために、100%に到達するのを妨げられることが示唆される。本発明者等は現在、α-アミノ酸の脱ラセミ化において以前に報告した高レベルの収率及び選択性を達成するために、脱ラセミ化プロトコルを最適化している。
Analysis conditions : Column = Chiralcel CrownPak CR +
Mobile phase = 100% perchloric acid, pH 1.5
Flow rate = 0.8ml.min -1
Detection = 200nm
Temperature = 25 ° C
rt (L-AMBA) = 12.8 minutes
rt (D-AMBA) = 16.5 minutes
Analysis of the HPLC chromatogram suggests that the yield in the deracemization reaction is prevented from reaching 100% due to the formation of byproducts with longer retention times as the reaction proceeds. We are currently optimizing the deracemization protocol to achieve the high levels of yield and selectivity previously reported in the deracemization of α-amino acids.
略号:
MAO−モノアミンオキシダーゼ
AMBA−α-メチルベンジルアミン
TBHBA−2,4,6-トリブロモ-3-ヒドロキシ安息香酸
AAP−4-アミノアンチピリン
HRP−ウシ肝臓由来の西洋ワサビペルオキシダーゼVI型
LB−Lubria Bertani
r.t.−保持時間
Abbreviations:
MAO-monoamine oxidase
AMBA-α-methylbenzylamine
TBHBA-2,4,6-tribromo-3-hydroxybenzoic acid
AAP-4-aminoantipyrine
HRP-horseradish peroxidase type VI derived from bovine liver
LB−Lubria Bertani
rt-retention time
〔実施例6〕
N336S変異型酵素の基質特異性
上記の変異型酵素の活性を、種々のアミン基質について調べた。アッセイ条件は本質的に実施例3に示したものとした。試験した基質は以下の通りであった。
Substrate Specificity of N336S Mutant Enzyme The activity of the above mutant enzyme was examined for various amine substrates. The assay conditions were essentially as shown in Example 3. The substrates tested were as follows:
結果:result:
〔実施例7〕
更なる変異体クローンの作製
野生型A. nigerのモノアミンオキシダーゼの最初に公表された配列では、位置348にリシンが示された。上記で作製し、実施例3(a)で最初に試験した変異型酵素のいくつかは、この位置にメチオニンを有することから二重変異体と考えられた。しかしながら、野生型の配列を確認した(再度配列決定した)ところ、野生型の位置348のアミノ酸は(配列番号1に示すように)メチオニンであることが示された。この部位における変異の影響(あるとすれば)を明らかにするために、野生型の酵素に対して部位特異的突然変異誘発を行い、M348K変異を導入した。この位置のアミノ酸の同一性は発現効率に影響し、リシンの場合に酵素の触媒活性を変えることなく発現が上昇する(絶対活性U/mlは野生型よりも高いが、タンパク質量について補正すると、野生型酵素と同じKcat値が得られる)ことが確認された。次いで上記のN336S変異体に対して部位特異的突然変異誘発を行って第二の変異(M348K)を生成させると、N336S変異の触媒能増大が発現の上昇と組み合わされる。この二重変異体のアミノ酸配列を配列番号3に示す。
Example 7
Generation of additional mutant clones The first published sequence of the wild-type A. niger monoamine oxidase indicated a lysine at position 348. Some of the mutant enzymes prepared above and first tested in Example 3 (a) were considered double mutants because of having a methionine at this position. However, when the wild type sequence was confirmed (resequenced), the amino acid at position 348 of the wild type was shown to be methionine (as shown in SEQ ID NO: 1). To elucidate the effects of mutations at this site (if any), site-directed mutagenesis was performed on the wild-type enzyme to introduce the M348K mutation. The identity of the amino acid at this position affects the expression efficiency. In the case of lysine, the expression increases without changing the catalytic activity of the enzyme (the absolute activity U / ml is higher than the wild type, but when corrected for the amount of protein, The same K cat value as that of the wild-type enzyme was obtained). Subsequent site-directed mutagenesis of the above N336S mutant to generate a second mutation (M348K) combines the increased catalytic ability of the N336S mutation with increased expression. The amino acid sequence of this double mutant is shown in SEQ ID NO: 3.
〔実施例8〕
N336S、M348K変異型酵素の基質特異性
上記の二重変異型酵素の活性を、種々のアミン基質について調べた。アッセイ条件は、本質的に実施例3で示したものであった。試験した基質及び相対変換率(L-AMBAを100とした比較)を図4に示す。いくつかの基質については、両方のエナンチオマーを基質として試験した。全ての場合において、酵素は明らかにエナンチオ選択性を示し、いくつかの場合では反対のエナンチオマーに対する活性は検出できなかった(エナンチオ選択性のデータを図5に示す)。
Example 8
Substrate specificity of N336S and M348K mutant enzymes The activity of the above double mutant enzymes was examined for various amine substrates. The assay conditions were essentially those shown in Example 3. The tested substrates and relative conversion rates (comparison with L-AMBA as 100) are shown in FIG. For some substrates, both enantiomers were tested as substrates. In all cases, the enzyme clearly showed enantioselectivity and in some cases no activity against the opposite enantiomer was detectable (enantioselectivity data is shown in FIG. 5).
〔実施例9〕
変異体R260Kの発現の適用
変異R260Kはアルギニンに対して出現率の低いコドン内にあることが見出された。配列決定の結果、全ての「発現した」変異体が、アルギニンがリシンで置換された位置260における同じ変異を有していることが明らかになった。
Example 9
Application of expression of mutant R260K It was found that the mutant R260K is in a codon with a low incidence of arginine. Sequencing revealed that all “expressed” mutants had the same mutation at position 260 where arginine was replaced with lysine.
野生型MAO-Nアミノ酸配列は、大腸菌遺伝子において出現率の低い(4%)コドン(AGG)によってコードされた2個のアルギニンを位置259及び260に有する。リシン及びアルギニンは共に塩基性アミノ酸であり、このためその一方が他方に置換されたことでタンパク質の電荷は影響されないが、Argの低頻度コドンAGG(4%)がLysの高頻度コドンAAG(22%)で置換されると、大腸菌におけるタンパク質発現が改善される。従って本発明者等は、Arg259及びArg260の双方のコドンを部位特異的突然変異誘発によってコドンCGT(38%)で置換してMAO-Nの発現レベルに対する効果を評価することにした。別のアプローチは、AGGコドンを、これもアルギニンをコードする異なるコドン(AGA、CGT、CGC、CGA、CGG)に変えることによって「サイレント」変異を作製することであろう。 The wild-type MAO-N amino acid sequence has two arginines at positions 259 and 260 encoded by a low-occurrence (4%) codon (AGG) in the E. coli gene. Lysine and arginine are both basic amino acids, and therefore, the charge of the protein is not affected by substitution of one of them for the other, but Arg's low frequency codon AGG (4%) is Lys' high frequency codon AAG (22 %), Protein expression in E. coli is improved. Therefore, the inventors decided to replace the codons of both Arg259 and Arg260 with the codon CGT (38%) by site-directed mutagenesis to evaluate the effect on the expression level of MAO-N. Another approach would be to create “silent” mutations by changing the AGG codon to a different codon (AGA, CGT, CGC, CGA, CGG) that also encodes arginine.
MAO WT及びMAOArg259/260を、対応するmao-n遺伝子を保持するpET16bを有する組み換え大腸菌BL21(DE3)から部分精製した。音波処理によって無細胞抽出物を調製し、AAに対するMAO WT及びMAOArg259/260の比活性を、可溶性及び不溶性画分の双方について測定した(表3)。
R260K変異体発現レベルの増大を確認するために、MAO WT、変異体4(R260K)及びMAOArg259/260の無細胞抽出物を得、L-AMBAに対してアッセイした。これは、各サンプル50μlを240分間インキュベートすることで行い、比活性を測定した(表4)。
結論として、本発明者等は、キラルアミンの脱ラセミ化に初めて適用することによって、脱ラセミ化戦略を著しく広げた。そうすることによって、本発明者等は、新規な生体変換の特殊な要件を満たすために酵素の「定方向進化」を首尾良く達成した。本発明の別の興味深い態様は、スクリーニングにおいて単一のエナンチオマー基質(L-AMBA)を用いることによる、高度にエナンチオ選択的な変異体の同定である。ラセミ化合物を用い、それによって酵素に対して2つのエナンチオマーが競合する速度論的光学分割で見られる現実の状況を模倣する、真にエナンチオ選択的なスクリーニングの必要性に関しては多くの議論があった。種々の遺伝子(例えば106個)の実に大きく多様なライブラリーをスクリーニングすることが可能であれば、本質的により簡単なスクリーニングを用いて、本明細書に記載の方法でエナンチオ選択性を選択することが可能であるだろう。 In conclusion, the inventors have significantly expanded their deracemization strategy by applying it for the first time to the deracemization of chiral amines. By doing so, we have successfully achieved a “directed evolution” of the enzyme to meet the special requirements of the new biotransformation. Another interesting aspect of the invention is the identification of highly enantioselective variants by using a single enantiomeric substrate (L-AMBA) in the screen. There has been much debate about the need for a truly enantioselective screening that uses racemates, thereby mimicking the real situation found in kinetic optical resolution where two enantiomers compete for the enzyme. . If it is possible to screen a very large and diverse library of different genes (eg 10 6 ), the enantioselectivity is selected by the methods described herein using essentially simpler screening. It will be possible.
本明細書及び請求の範囲が一部を構成する本出願は、後続の出願において優先権の基礎として用いられ得る。このような後続の出願の請求の範囲は、本明細書に記載した任意の特徴または特徴の組み合わせに対するものであっても良い。それらは生成物クレーム、組成物クレーム、方法クレーム、または使用クレームの形態をとることがあり、非制限的な例として、添付の請求の範囲の1以上を含むことがある。 The application of which this description and claims forms part may be used as a basis for priority in subsequent applications. The claims of such subsequent application may be for any feature or combination of features described herein. They may take the form of product claims, composition claims, method claims or use claims and may include, as non-limiting examples, one or more of the appended claims.
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Claims (12)
a)RはH又はC1-4アルキルであり、R1及びR2は独立して置換又は非置換のC1-10アルキル、C1-10アルケニル、C1-10シクロアルキル、C1-10へテロサイクル、C1-10アリール、C1-10ヘテロアリール、C1-4アルキル-アリール、C1-4アルキル-ヘテロアリール、C1-4アルキル-C1-6シクロアルキル及びC1-4アルキル-C1-6ヘテロサイクルから選択されるか、あるいは
b)RはH又はC1-4アルキルであり、R1及びR2は一緒になって1個以上のヘテロ原子を含む置換又は非置換のC1-10シクロアルキル環系又はC1-10アリール環を形成するか、あるいは
c)R及びR1が一緒になって、1個以上のヘテロ原子を含み得る置換又は非置換のC1-10シクロアルキル又はC1-10アリール環系を形成し、R2は上記a)と同様に定義されるものである]
のキラルアミン又は該式Iのアミンエナンチオマーの混合物を、アミンの立体選択的な方法での酸化を触媒できるII型アミンオキシダーゼ酵素で処理し、続いて又は同時に還元剤で処理することを含む、アミンのエナンチオマー変換方法。 Formula I:
a) R is H or C 1-4 alkyl and R 1 and R 2 are independently substituted or unsubstituted C 1-10 alkyl, C 1-10 alkenyl, C 1-10 cycloalkyl, C 1-10 Telocycle, C 1-10 aryl, C 1-10 heteroaryl, C 1-4 alkyl-aryl, C 1-4 alkyl-heteroaryl, C 1-4 alkyl-C 1-6 cycloalkyl and C 1-4 alkyl -C 1-6 is selected from heterocycle, or b) R is H or C 1-4 alkyl, substituted or unsubstituted R1 and R2 contains one or more hetero atoms together Form a C 1-10 cycloalkyl ring system or a C 1-10 aryl ring, or c) R and R 1 taken together can contain one or more heteroatoms, substituted or unsubstituted C 1-10 A cycloalkyl or C 1-10 aryl ring system is formed, and R 2 is as defined above a)]
Or a mixture of amine enantiomers of the formula I is treated with a type II amine oxidase enzyme capable of catalyzing the oxidation of the amine in a stereoselective manner followed by treatment with a reducing agent. Enantiomeric conversion method.
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